(57)【要約】【課題】ピストン等の可動部品が無く、耐久性が高く、且つ、熱音響機関を利用する際に、熱源温度が低い場合でも所望の圧力を得ることができるポンプを提供する。【解決手段】熱音響ポンプ１０は、作動流体が充填された管部１７に、熱源との熱交換を行う加熱部１８とスタック１９と冷却部２０とが配設された熱音響機関１１と、熱音響機関１１の管部１７に接続された吸入管１２と、吸入管１２に取り付けられ、熱音響機関１１側に向かう流れを許容し且つ逆方向の流れを阻止する吸入用逆止弁１３と、熱音響機関１１の管部１７に接続された吐出管１４と、吐出管１４に取り付けられ、熱音響機関１１側に向かう流れを阻止し且つ逆方向の流れを許容する吐出用逆止弁１５と、熱音響機関１１の加熱部１８に設けられる電気ヒータ２６と、熱源の温度低下時に電気ヒータ２６を作動とする制御機構２７とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体が充填された管部に、熱源との熱交換を行う加熱部とスタックと冷却部とが配設された熱音響機関と、前記熱音響機関の前記管部に接続された吸入管と、前記吸入管に取り付けられ、前記熱音響機関側に向かう流れを許容し且つ逆方向の流れを阻止する吸入用逆止弁と、前記熱音響機関の前記管部に接続された吐出管と、前記吐出管に取り付けられ、前記熱音響機関側に向かう流れを阻止し且つ逆方向の流れを許容する吐出用逆止弁と、前記熱音響機関の前記加熱部に設けられる電気ヒータと、前記熱源の温度低下時に前記電気ヒータを作動とする制御機構とを備えたことを特徴とする熱音響ポンプ。
【請求項２】
前記吐出用逆止弁よりも下流の前記吐出管に配設され、前記吐出用逆止弁を通過した作動流体を貯留するタンクをさらに備えた請求項１に記載の熱音響ポンプ。
【請求項３】
前記制御機構は、前記タンクに装着され、前記タンク内の圧力を検出する圧力センサと、前記熱音響機関の前記加熱部に装着され、前記熱源の温度を検出する温度センサと、前記圧力センサにより検出した前記タンク内の圧力が所定圧力以下で且つ前記温度センサにより検出した前記熱源の温度が所定温度以下であると判定したときに前記電気ヒータに通電するコントローラとを有する請求項２に記載の熱音響ポンプ。
【請求項４】
前記制御機構は、前記電気ヒータと電源とを繋ぐ電気回路に配設され、前記タンク内の圧力が所定圧力以下で導通される圧力スイッチと、前記電気回路に前記圧力スイッチと直列に配設され、前記熱音響機関における前記加熱部内の前記熱源の温度が所定温度以下で導通される温度スイッチとを有する請求項２に記載の熱音響ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱音響機関を用いて作動流体の供給を行う熱音響ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、トラック等の車両には圧縮空気により駆動されるアクチュエータが様々な用途で採用されており、そのようなアクチュエータとして、例えば、オートクラッチ等が知られている。また、そのオートクラッチ等に圧縮空気を供給するために、エアーコンプレッサが使用されている。そのようなエアーコンプレッサとして、例えば、ピストンポンプが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
従来のピストンポンプは、一般的に、可動部品であるピストン、シリンダ等を有していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３１５２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のピストンポンプにおいては、ピストンとシリンダとの間はピストンシールによりシールするが、そのシールは通常接触シールであるためシールの耐久性が低いという問題があった。また、シールの耐久性を高めるためにはシール部をオイルで潤滑する必要があるが、オイルの循環や圧縮空気へのオイル混入に注意する必要があり、フィルタやエアードライヤ等によりオイルを取り除く必要があった。
【０００６】
また、近年、機械的な可動部分が無い所謂熱音響機関の開発研究が活発に行われており（例えば、特開２０１１−２０８９１１号公報参照）、熱音響機関内部で発生する圧力変動を利用することでピストン等の可動部品の無い熱音響ポンプが実現され得る。しかしながら、同熱音響ポンプを車両に搭載し、車両の排気により熱音響機関を加熱して作動させる場合、排気の温度（すなわち、熱源温度）の変化により所望の圧力を得られない状況の発生が想定され、問題となり得る。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、ピストン等の可動部品が無く、耐久性が高く、且つ、熱音響機関を利用する際に、熱源温度が低い場合でも所望の圧力を得ることができるポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するために、本発明は、作動流体が充填された管部に、熱源との熱交換を行う加熱部とスタックと冷却部とが配設された熱音響機関と、前記熱音響機関の前記管部に接続された吸入管と、前記吸入管に取り付けられ、前記熱音響機関側に向かう流れを許容し且つ逆方向の流れを阻止する吸入用逆止弁と、前記熱音響機関の前記管部に接続された吐出管と、前記吐出管に取り付けられ、前記熱音響機関側に向かう流れを阻止し且つ逆方向の流れを許容する吐出用逆止弁と、前記熱音響機関の前記加熱部に設けられる電気ヒータと、前記熱源の温度低下時に前記電気ヒータを作動とする制御機構とを備えたことを特徴とする熱音響ポンプである。
【０００９】
前記熱音響ポンプは、前記吐出用逆止弁よりも下流の前記吐出管に配設され、前記吐出用逆止弁を通過した作動流体を貯留するタンクをさらに備えても良い。
【００１０】
前記制御機構は、前記タンクに装着され、前記タンク内の圧力を検出する圧力センサと、前記熱音響機関の前記加熱部に装着され、前記熱源の温度を検出する温度センサと、前記圧力センサにより検出した前記タンク内の圧力が所定圧力以下で且つ前記温度センサにより検出した前記熱源の温度が所定温度以下であると判定したときに前記電気ヒータに通電するコントローラとを有しても良い。
【００１１】
前記制御機構は、前記電気ヒータと電源とを繋ぐ電気回路に配設され、前記タンク内の圧力が所定圧力以下で導通される圧力スイッチと、前記電気回路に前記圧力スイッチと直列に配設され、前記熱音響機関における前記加熱部内の前記熱源の温度が所定温度以下で導通される温度スイッチとを有しても良い。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ピストン等の可動部品が無く、耐久性が高く、且つ、熱音響機関を利用する際に、熱源温度が低い場合でも所望の圧力を得ることができるポンプを提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第一実施形態に係る熱音響ポンプの構成図である。
【図２】熱音響ポンプの作動原理を説明する図である。
【図３】コントローラによる電気ヒータの制御フローを示す図である。
【図４】本発明の第二実施形態に係る熱音響ポンプの構成図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の他の実施形態に係る熱音響ポンプの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１５】
本発明の第一実施形態に係る熱音響ポンプの構造を図１に示す。
【００１６】
図１に示すように、本実施形態に係る熱音響ポンプ１０は、熱音響機関１１と、吸入管１２と、第一チェック弁（吸入用逆止弁）１３と、吐出管１４と、第二チェック弁（吐出用逆止弁）１５と、タンク（エアータンク）１６とを備えている。
【００１７】
熱音響機関１１は、作動流体が充填された管部１７に、加熱部（加熱器）１８とスタック（再生器）１９と冷却部（冷却器）２０とを配設して構成されている。管部１７内の作動流体を加熱部１８において局所的に加熱し、冷却部２０において冷却すると、熱エネルギの一部が力学的エネルギである音響エネルギに変換されて管部１７内の作動流体が自励振動を起こし、管部１７内に音響振動すなわち音波が発生する。
【００１８】
管部１７は、ループ状に形成されたループ管２１と、直線状に形成され、ループ管２１に接続された共鳴管２２とを有する。本実施形態では、加熱部１８、スタック１９及び冷却部２０は、ループ管２１に配設されている。作動流体には、空気、ヘリウム、窒素、アルゴン等の気体（圧縮性流体）を用いるのが好ましい。
【００１９】
加熱部１８は、高温熱源との熱交換を行うものである。加熱部１８は、ループ管２１よりも寸法が大きい両端が開放された加熱部管２３ａと、加熱部管２３ａの内部に流路（加熱部管２３ａの長手方向）と平行になるように複数配設された内部フィン２３ｂと、加熱部管２３ａの外周に接続され、高温熱源が流通する熱源供給部２３ｃとを有している。本実施形態では、高温熱源には、他のシステムで生じた廃熱（車両廃熱や工場廃熱等）を用いる。より詳細には、廃熱としては、エンジン（内燃機関）の排気、ボイラーの排気、焼却炉の排気などが利用できる。
【００２０】
スタック１９は、加熱部１８と冷却部２０との間で温度勾配を保持するものである。スタック１９は、スタック１９内に流路（ループ管２１の長手方向）を横断するように複数積層された金属メッシュ材料（例えば、金網）２４を有している。
【００２１】
冷却部２０は、低温熱源との熱交換を行うものである。冷却部２０は、冷却部２０内に流路（ループ管２１の長手方向）と平行になるように複数配設された内部フィン２５を有している。
【００２２】
吸入管１２は、熱音響機関１１の管部１７（本実施形態では、共鳴管２２）に接続され、作動流体を管部１７内に吸入するためのものである。吸入管１２は、ループ管２１及び共鳴管２２よりも十分に径が小さい細管からなる。吸入管１２の下流端は、管部１７内の圧力変動が最も大きくなる箇所に接続するのが好ましい。また、吸入管１２の下流端は、熱音響機関１１のエンジン部分（加熱部１８、スタック１９、冷却部２０）から離れた箇所に接続するのが好ましい。本実施形態では、吸入管１２の上流端は、大気開放されている。
【００２３】
第一チェック弁１３は、熱音響機関１１の管部１７に向かって作動流体が流れるように吸入管１２に取り付けられている。すなわち、第一チェック弁１３は、熱音響機関１１側に向かう流れを許容し、その逆方向の流れを阻止するものである。第一チェック弁１３の開弁圧（セット荷重）は、例えば、第一チェック弁１３の上流側圧力が下流側圧力よりも大きくなると開弁するように設定される。
【００２４】
吐出管１４は、熱音響機関１１の管部１７（本実施形態では、共鳴管２２）に接続され、作動流体を管部１７内から吐出するためのものである。吐出管１４は、ループ管２１及び共鳴管２２よりも十分に径が小さい細管からなる。吐出管１４の上流端は、管部１７内の圧力変動が最も大きくなる箇所に接続するのが好ましい。また、吐出管１４の上流端は、熱音響機関１１のエンジン部分（加熱部１８、スタック１９、冷却部２０）から離れた箇所に接続するのが好ましい。本実施形態では、吐出管１４の下流端は、タンク１６に接続されている。
【００２５】
第二チェック弁１５は、熱音響機関１１の管部１７からタンク１６に向かって作動流体が流れるように吐出管１４に取り付けられている。すなわち、第二チェック弁１５は、タンク１６側から熱音響機関１１側に向かう流れを阻止し、その逆方向の流れを許容するものである。第二チェック弁１５の開弁圧（セット荷重）は、例えば、第二チェック弁１５の上流側圧力が下流側圧力よりも大きくなると開弁するように設定される。
【００２６】
タンク１６は、第二チェック弁１５よりも下流の吐出管１４に配設され、第二チェック弁１５を通過した作動流体を貯留するものである。タンク１６は、タンク１６に貯留した作動流体を他のシステムにおいて使用するために、吐出管１４に対して着脱可能に接続されている。なお、本実施形態ではタンク１６は吐出管１４の下流端に接続されているが、タンク１６を吐出管１４の途中に接続すると共に、タンク１６よりも下流の吐出管１４に止め弁を設けても良い。
【００２７】
本実施形態に係る熱音響ポンプ１０は、電気ヒータ２６と、制御機構２７とをさらに備えている。
【００２８】
電気ヒータ２６は、熱音響機関１１の加熱部１８に設けられている。本実施形態の電気ヒータ２６は、加熱部１８の熱源供給部２３ｃに配設され、加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内を流通する排気を加熱するものである。電気ヒータ２６は、タンク１６内の圧力が所定圧力以下で且つ加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度が所定温度以下の場合に作動とされる。なお、電気ヒータ２６は、加熱部１８の加熱部管２３ａの外周に配設され、加熱部管２３ａ（すなわち、加熱部管２３ａ内を通過する作動流体）を加熱するものであっても良い。
【００２９】
制御機構２７は、高温熱源（排気）の温度低下時に電気ヒータ２６を作動とするものである。制御機構２７は、タンク１６に装着され、タンク１６内の圧力を検出する圧力センサ２８と、加熱部１８の熱源供給部２３ｃに装着され、加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度を検出する温度センサ２９と、圧力センサ２８により検出したタンク１６内の圧力が所定圧力以下で且つ温度センサ２９により検出した加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度が所定温度以下であると判定したときに電気ヒータ２６に通電するコントローラ３０とを有している。温度センサ２９は、電気ヒータ２６による加熱前の排気の温度を検出するために、電気ヒータ２６よりも排気上流側に位置させて加熱部１８の熱源供給部２３ｃに配設されている。上述の所定圧力は、例えば、熱音響ポンプ１０の最大発生圧力などに基づいて適切な値とされ、上述の所定温度は、例えば、エンジンなどの排気の平均温度などに基づいて適切な値とされる。
【００３０】
図３を用いてコントローラ３０による電気ヒータ２６の制御フローを説明する。
【００３１】
図３に示す制御フローは、熱音響ポンプ１０の始動から停止までの間、繰り返し実行されるものである。なお、熱音響ポンプ１０の始動から所定時間の間は、本制御を実行しないようにしても良い。
【００３２】
先ず、コントローラ３０は、ステップＳ１において、圧力センサ２８の検出値（タンク１６内の圧力）が所定圧力以下であるか否かを確認する。次いで、ステップＳ１において圧力センサ２８の検出値（タンク１６内の圧力）が所定圧力以下であると判定した場合、コントローラ３０は、ステップＳ２において、温度センサ２９の検出値（加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度）が所定温度以下であるか否かを確認する。次いで、ステップＳ２において温度センサ２９の検出値（加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度）が所定温度以下であると判定した場合、コントローラ３０は、ステップＳ３において電気ヒータ２６を作動とする。そして、コントローラ３０は、ステップＳ４において温度センサ２９の検出値（加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度）が所定温度より高くなったと判定した場合に、ステップＳ５において電気ヒータ２６を非作動とし、本制御をリターンする。
【００３３】
一方、ステップＳ１において圧力センサ２８の検出値（タンク１６内の圧力）が所定圧力より高いと判定した場合、又は、ステップＳ２において温度センサ２９の検出値（加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度）が所定温度より高いと判定した場合、コントローラ３０は、本制御をリターンする。
【００３４】
図２を用いて本実施形態に係る熱音響ポンプ１０の作動原理を説明する。
【００３５】
作動流体は、空気であるとする。また、熱音響機関１１の管部１７内の圧力は、初期状態で大気圧であるとする。この初期状態から熱音響機関１１が自励発振を始めると、熱音響機関１１の管部１７内に周期的な圧力変動が発生する。このとき、管部１７内の圧力が大気圧よりも低い負圧の領域（負圧時）では、外気が吸入管１２及び第一チェック弁１３を通って外部から熱音響機関１１の管部１７内に流入する。第一チェック弁１３の上流側圧力（外部の圧力すなわち大気圧）が下流側圧力（管部１７内の圧力）よりも高くなるためである。
【００３６】
次に、熱音響機関１１の管部１７内の圧力が上昇すると、管部１７内の圧力は大気圧以上となる。このとき、管部１７内の圧力が大気圧以上である正圧の領域（正圧時）においてタンク１６内の圧力が管部１７内の圧力よりも低いと、圧縮空気が吐出管１４及び第二チェック弁１５を通って熱音響機関１１の管部１７からタンク１６に流れる。
【００３７】
このようなサイクルを繰り返すと熱音響機関１１の管部１７内の平均圧力は徐々に上昇し、それに伴い管部１７内の圧力振幅も増大する。最終的に図２の右端のような圧力状態になると、本実施形態に係る熱音響ポンプ１０により発生可能な圧力の上限（最大発生圧力）になる。図２の右端のような圧力状態においては、管部１７内の圧力が大気圧よりも低くならず、第一チェック弁１３による熱音響機関１１の管部１７への外気の吸入が行われなくなるためである。但し、熱音響機関１１の加熱部１８における加熱温度を上げれば、さらに高い圧力を熱音響機関１１の管部１７内及びタンク１６内に発生させることは可能である。
【００３８】
すなわち、本実施形態に係る熱音響ポンプ１０は、熱音響機関１１の管部１７内で発生する圧力振動を利用し、熱音響機関１１の管部１７内の圧力が低圧となったときに外気を熱音響機関１１の管部１７内に吸入し、熱音響機関１１の管部１７内の圧力が高圧となったときに圧縮空気を熱音響機関１１の管部１７内からタンク１６に吐き出す、ピストン等の可動部品の無いコンプレッサ（エアーコンプレッサ）として機能する。
【００３９】
なお、タンク１６は、必ずしも吐出管１４に接続しておく必要はない。すなわち、圧縮空気をタンク１６に貯留せずに流すだけなら、熱音響ポンプ１０は、ピストン等の可動部品の無いポンプ（エアーポンプ）として機能する。
【００４０】
また、本実施形態に係る熱音響ポンプ１０では、排気の温度が低い場合、加熱部１８の熱源供給部２３ｃに設けた電気ヒータ２６により排気を温めるようにしたので、エンジンなどの排気の温度が低い状況でも所望の空気圧（圧力）を得ることができる。特に、本実施形態では、タンク１６内の圧力が所定圧力以下で且つ加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度が所定温度以下である場合に、排気の温度が所定温度を超えるまでの間、電気ヒータ２６を作動とするようにしたので、他のシステムで生じた廃熱（車両廃熱や工場廃熱等）を高温熱源として利用することによる省エネルギ効果が損なわれることはない。
【００４１】
以上要するに、本実施形態に係る熱音響ポンプ１０によれば、作動流体が充填された管部１７に、熱源との熱交換を行う加熱部１８とスタック１９と冷却部２０とが配設された熱音響機関１１と、熱音響機関１１の管部１７に接続された吸入管１２と、吸入管１２に取り付けられ、熱音響機関１１側に向かう流れを許容し且つ逆方向の流れを阻止する吸入用逆止弁１３と、熱音響機関１１の管部１７に接続された吐出管１４と、吐出管１４に取り付けられ、熱音響機関１１側に向かう流れを阻止し且つ逆方向の流れを許容する吐出用逆止弁１５と、熱音響機関１１の加熱部１８に設けられ、熱源を加熱する電気ヒータ２６と、熱源の温度低下時に電気ヒータ２６を作動とする制御機構２７とを備えたので、ピストン等の可動部品が無く、耐久性が高く、且つ、熱音響機関１１を利用する際に、熱源温度が低い場合でも所望の圧力を得ることができるポンプを提供することができる。
【００４２】
また、本実施形態に係る熱音響ポンプ１０は、オイルを必要とせず、圧縮空気にオイルの混入がない。
【００４３】
さらに、熱音響機関１１（加熱部１８）の加熱を他のシステムで生じた廃熱（車両廃熱や工場廃熱等）により行うことで、維持費が殆どかからないポンプが実現する。
【００４４】
本発明の第二実施形態に係る熱音響ポンプの構造を図４に示す。
【００４５】
なお、図４に示す第二実施形態において、図１に示す第一実施形態と同一の構成要素には同一符号を付して、説明を省略する。
【００４６】
図４に示すように、制御機構３１は、電気ヒータ２６と電源３２とを繋ぐ電気回路３３に配設され、タンク１６内の圧力が所定圧力以下となる圧力低下で導通される圧力スイッチ３４と、電気回路３３に圧力スイッチ３４と直列に配設され、加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度が所定温度以下となる温度低下で導通される温度スイッチ３５とを有している。圧力スイッチ３４は、タンク１６内の圧力を検知するために、タンク１６に装着されている。温度スイッチ３５は、電気ヒータ２６による加熱前の排気の温度を検知するために、電気ヒータ２６よりも排気上流側に位置させて加熱部１８の熱源供給部２３ｃに装着されている。
【００４７】
図４に示す制御機構３１では、電気ヒータ２６は、タンク１６内の圧力が所定圧力以下で且つ加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度が所定温度以下の場合に、圧力スイッチ３４及び温度スイッチ３５の導通により作動とされる。また、電気ヒータ２６は、タンク１６内の圧力が所定圧力を超えた場合に、圧力スイッチ３４の導通解除により非作動とされ、又は、加熱部１８の熱源供給部２３ｃ内の排気の温度が所定温度を超えた場合に、温度スイッチ３５の導通解除により非作動とされる。
【００４８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。
【００４９】
例えば、熱音響機関１１の構造は図１の実施形態のものには限定されない。熱音響機関１１の変形例を図５に示す。なお、図５では電気ヒータ２６及び制御機構２７、３１を図示省略している。図５（ａ）に示すように、管部４１が、ループ状に形成されたループ管４２を有しており、ループ管４２に加熱部１８とスタック１９と冷却部２０とが配設されていると共に、ループ管４２に吸入管１２及び吐出管１４が接続されている。また、図５（ｂ）に示すように、管部４３が、直線状に形成された共鳴管４４を有しており、共鳴管４４に加熱部１８とスタック１９と冷却部２０とが配設されていると共に、共鳴管４４に吸入管１２及び吐出管１４が接続されている。
【符号の説明】
【００５０】
１０  熱音響ポンプ
１１  熱音響機関
１２  吸入管
１３  吸入用逆止弁（第一チェック弁）
１４  吐出管
１５  吐出用逆止弁（第二チェック弁）
１６  タンク
１７  管部
１８  加熱部
１９  スタック
２０  冷却部
２６  電気ヒータ
２７  制御機構
２８  圧力センサ
２９  温度センサ
３０  コントローラ
３１  制御機構
３２  電源
３３  電気回路
３４  圧力スイッチ
３５  温度スイッチ
【図１】
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【図３】
2013117319.tif 000004
【図４】
2013117319.tif 000005
【図５】
2013117319.tif 000006
【図２】
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